Graphene vẫn bền vô đối ngay cả khi khâu thành tấm lớn

Một nghiên cứu tiến hành tại trường Đại học Columbia cho biết ngay cả khi được khâu lại với nhau từ những miếng nhỏ hơn nhiều, những tấm lớn graphene vẫn giữ được phần lớn cơ tính của chúng. Khám phá trên có thể là một bước quan trọng hướng đến sản xuất hàng loạt ống nano carbon có thể dùng để chế tạo các linh kiện điện tử dẻo, các vật liệu cực nhẹ và bền, và có lẽ cả thang máy vũ trụ đầu tiên nữa.

Để chọc thủng một tấm graphene mỏng như giấy nhựa saran, bạn cần áp lực tạo bởi một con voi đứng cân bằng trên một cái bút chì.

Graphene – chất liệu thần kì

Ở dạng tinh khiết nhất của nó, graphene khá nổi trội: nó là vật liệu bền nhất mà người ta từng biết, một chất dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, vừa rất cứng vừa rất mềm. Graphene còn cực kì nhẹ: chỉ 0,77 mg/m², một tấm graphene khổng lồ trùm hết toàn bộ nước Mĩ sẽ cân nhẹ hơn một chút so với bốn tàu con thoi vũ trụ lúc phóng.

Graphene có sức bền của nó nhờ hai yếu tố. Thứ nhất, mỗi nguyên tử carbon bị vây quanh bởi sáu nguyên tử khác trong một mạng lưới tổ ong có độ bền cao, với các nguyên tử bị khóa chắc tại chỗ bởi những liên kết cộng hóa trị rất mạnh; thứ hai, cấu trúc hai chiều, cực kì đơn giản của nó để lại ít khoảng trống cho các khuyết tật xuất hiện trong mạng.

Các nhà nghiên cứu nhìn thấy ở graphen một lộ trình hứa hẹn dẫn tới công nghệ điện tử dẻo, đưa đến quần áo thông minh, báo kiểu Harry Potter có thể chơi video theo yêu cầu, và điện thoại thông minh gấp lại được thành cỡ bỏ túi, vân vân. Graphene còn có thể tạo ra những composite hiệu quả cao thay thế cho sợi carbon hoặc, theo một số nhà nghiên cứu, một thang máy vũ trụ có thể dắt một vệ tinh nhân tạo về Trái đất (ống nano carbon, những tấm graphene cuộn lại, là vật liệu duy nhất được biết có tỉ số sức bền-trên-trọng lượng đủ cao để làm được kì công đó.)

Hướng tới màn hiển thị dẻo

Các nhà khoa học có thể chế tạo những lượng rất nhỏ graphene tinh khiết bằng cách bóc tách thủ công một tinh thể graphite. Quá trình đó đáp ứng cho các mục đích nghiên cứu, nhưng nó cũng rất tốn kém và không thực tế, vì nó không thể được tăng quy mô để sản xuất hàng loạt.

Để tạo ra những tấm graphene lớn hơn (chừng bằng màn hình ti vi), thay vậy, các nhà khoa học dựa trên một quy trình gọi là “lắng hơi hóa học” (CVD), trong đó từng lớp đơn graphene được nuôi mọc bên trong một cái lò nhiệt độ cao. Kết quả không phải là một cấu trúc đồng đều, mà na ná như một tấm chăn gồm những mảng graphene chắp vá “được khâu lại” trên một lớp đồng mỏng.

Lí thuyết khẳng định rằng các tấm graphene CVD vẫn giữ được hầu như toàn bộ sức bền của dạng tinh khiết của chúng nhưng, trong những thí nghiệm trước đây, chúng tỏ ra yếu hơn thế nhiều. Các nhà nghiên cứu James Hone và Jeffrey Kysar tại Đại học Columbia đã đi tìm câu lí giải, và họ phát hiện thấy cái làm yếu graphene CVD không phải là bản thân các mảng ghép, mà là do hóa chất được dùng để loại bỏ chất nền đồng sau khi các mảng đó hình thành.

Sau đó, đội khoa học đã phát triển một quy trình mới sử dụng một chất khắc ăn mòn khác để loại bỏ chất nền đồng, để lại tấm graphene không bị gây hại. Bằng cách ấy, họ đã có thể tạo ra những tấm graphene bền ngang ngửa với dạng kết tinh, nguyên chủng của nó.

Khi tấm graphene có chứa những mảng ghép lớn, graphene CVD chế tạo theo kiểu này đã được kiểm tra là bền ngang ngửa với dạng kết tinh, nguyên chất hơn của nó; và, bất ngờ hơn, ngay cả khi các mảng đó nhỏ hơn nhiều thì graphene vẫn giữ được tới 90% sức bền của nó.

“Đây là một kết quả hấp dẫn cho tương lai của graphene, vì nó cung cấp bằng chứng thực nghiệm rằng sức bền ngoại hạng mà nó có ở cấp độ nguyên tử có thể vẫn giữ vững ở những mẫu kích cỡ đến hàng inch hoặc lớn hơn,” Hone nói.

Các nhà khoa học bây giờ sẽ tập trung vào nghiên cứu những vật liệu hai chiều khác và chúng bị ảnh hưởng như thế nào bởi sự có mặt của những mảng ghép đó. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy các ranh giới mảng ở vật liệu 2D có thể nhạy với xử lí hơn nhiều so với ở vật liệu 3D,” Kisar nói. “Đây là bởi vì toàn bộ các nguyên tử trong graphene là các nguyên tử bề mặt, cho nên sự hỏng hóc bề mặt có thể làm phá hủy hoàn toàn sức bền của những vật liệu này. Tuy nhiên với quá trình xử lí thích hợp tránh hỏng hóc bề mặt, thì các ranh giới mảng ở vật liệu 2D có thể gần như bền ngang với cấu trúc hoàn hảo, không có khuyết tật.”

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.

Nguồn: GizMag.com